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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流煤气管道压力控制系统的设计.精品文档.摘 要随着人民生活水平的提高和国家能源结构的调整，煤气、液化气、天然气正逐步进入千家万户，然而，煤气作为一种高能能源，在存储、运输、使用过程中都存在不同程度的危险，有可能对人民群众的人身安全和财产安全造成相当大的危害。因此，对煤气管道压力控制系统的研究具有十分重要的意义。系统由压力传感器、信号调理电路、A/D转换电路、D/A转换电路、电机驱动电路、单片机及其外围电路组成。传感器采用的是1000系列扩散硅压力传感器。由传感器采集的信号，需要经过信号调理电路的处理才能送入A/D转换器，系统A/D转换电路采用M
2、C14433将模拟信号转换成单片机识别的数字信号。输出的数字量控制信号经过DAC0832型D/A转换器转换成能控制管道压力执行器工作的模拟信号，选用ABB公司生产的ACS600系列变频器来驱动电机。选择功能强大AT89S52单片机作为系统的主控芯片，并设计了显示、键盘和串口等外围电路。关键词 煤气 管道压力 控制系统 传感器 单片机 AbstractWith peoples living standards improve and the national energy structure adjustment, gas, liquefied petroleum gas, natural ga
3、s is gradually in every household, however, a kind of high-energy gas as energy, storage, transport, use of the process in both varying degrees of risk There may be peoples personal safety and property security caused considerable harm. Therefore, the pressure on the gas pipeline control system is o
4、f great significance. The system consists of pressure sensors, signal conditioning circuits, A/D converter circuit, D/A converter circuit, microcomputer and its peripheral circuit. Sensor uses a 1000 series diffusion silicon pressure sensor. Collected by the sensor signals, signal conditioning circu
5、it to go through before it can be sent to A/D converter, the system uses MC14433 eight successive approximation A/D converter converts the analog signal to digital signal single chip identification. Output of the digital type control signal after DAC0832 D/A converter converts the pressure actuator
6、to control the pipeline analog to work. Select a powerful system of AT89S52 microcontroller as the main chip and designed the display, keyboard, and serial and other peripheral circuits.Key Words gas pipeline pressure control system the sensor single-chip目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1研究的目的和意义11.2国内外研究现
7、状21.3 控制系统概述31.3.1 控制系统的简介31.3.2 基于单片机的控制系统4第2章 系统的总体方案设计52.1 系统的方案比较52.1.1 基于模拟电路的压力控制方案52.1.2 基于单片机的压力控制方案52.2 系统的工作原理62.3系统的总体设计6第3章 系统的硬件设计83.1 单片机的选择与接口电路83.1.1单片机的选型83.1.2 单片机最小系统接口电路93.1.3 单片机扩展I/O端口的接口电路103.1.4 单片机与存储器的接口电路103.2压力传感器的选择113.2.1 压力传感器的测量原理123.2.2 压力传感器的选择133.3信号调理电路143.3.1 放大电
8、路的电源电路143.3.2 信号调理电路143.4 A/D转换电路163.5 D/A转换电路173.6电机驱动电路183.7显示和键盘电路193.8 报警电路203.9 串行接口电路213.10 电源电路22第4章 系统软件部分的设计244.1 系统主程序的设计244.2 PID控制程序的设计254.2.1 PID控制的基本原理254.2.2 变速积分分离PID算法264.2.3 PID控制程序274.3 A/D转换程序284.4 D/A转换电路294.5 串口通信程序304.6 键盘程序314.7 显示程序33第5章 系统的抗干扰技术345.1硬件抗干扰技术345.2软件抗干扰技术35结 论
9、36致 谢37参考文献38附录141CONTENTSAbstract(Chinese)IAbstractIIChapter1 Introduction11.1 The purpose and significance of the research11.2 Research status21.3 Control system overview31.3.1 Control system introduction31.3.2 Control system based on single chip4Chapter 2 The overall design of the system52.1 Comp
10、arison of the system program52.1.1 Analog circuits based on pressure control program52.1.2 Pressure control program based on single chip52.2 System works62.3 System Design6Chapter 3 System hardware design83.1 MCU Selection and Interface Circuit83.1.1 Selection of SCM83.1.2 Microcomputer system inter
11、face circuit93.1.3 Microprocessor I/O port interface circuit103.1.4 Microcontroller and memory interface circuits103.2 Pressure sensor selection113.2.1 Pressure sensor measuring principle123.2.2 Pressure sensor selection133.3 Signal conditioning circuit143.3.1 The power amplifier circuit143.3.2 Sign
12、al conditioning circuit143.4 A/D converter circuit163.5 D/A converter circuit173.6 Motor drive circuit183.7 Display and keyboard circuit193.8 Alarm Circuit203.9 Serial interface circuit213.10 Power circuit22Chapter 4 Part of the design of system software244.1 System design of the main program244.2 D
13、esign of PID control program254.2.1 The basic principle of PID control254.2.2 Separation of Variable Integral PID algorithm264.2.3 PID control program274.3 A/D conversion process284.4 D/A converter circuit294.5 Serial Communication Program304.6 Keyboard Program314.7 Display program33Chapter 5 System
14、 interference technology345.1 Hardware anti-jamming technology345.2 Software anti-jamming technology35Conclusions36Acknowledgements37References38Appendix 141第1章 绪论1.1研究的目的和意义近年来，我国的工业化、城市化建设水平不断提高，城市基础设施的建设在很多方面取得可喜的成绩，城市经济的可持续发展要求城市的管理日趋科学化、现代化，要求城市建设管理部门对城市基础地理信息的合理规划和使用1。随着人民生活水平的提高和国家能源结构的调整，煤气、
15、液化气、天然气正逐步进入千家万户，然而，煤气作为一种高能能源，在存储、运输、使用过程中都存在不同程度的危险，有可能对人民群众的人身安全和财产安全造成相当大的危害。因此，对煤气管道压力控制系统的研究具有十分重要的意义。传统的人工管理方式和纸质管网资料的存储方式已无法满足城市现代化发展的需要，更增加了城市煤气管理部门的工作难度。因此，寻求一种高科技、现代化的管理手段是当务之急，经多方面调研分析，建立煤气管道压力控制系统是解决问题的捷径。随着我国经济的飞速发展，城镇建设日益完善，煤气事业同时也得到了巨大的发展。发展煤气事业能改善人民的生活水平，促进工农业生产，保护环境，对社会的可持续发展具有重要的意
16、义。煤气管道系统构成十分复杂，结构类型多样，有地下的、地上的，以及跨越较大地域范围的管道、是城镇“生命线工程”的重要组成部分，具有点多、面广、线长、易受环境腐蚀、各种人为破坏和自然灾害影响的特点。城市埋地燃气管道主要输送的介质有着易燃、易爆、有毒等特性，其一旦发生管道失效事故，后果将很严重。在煤气管道各类事故中，漏损是经常出现的事故之一，也是造成爆炸、使人中毒和污染环境的主要原因2。在以往国内外管道事故的统计中，管道漏损引起的事故占了很大的比例。据美国国家输送安全局统计，45%的管道损坏是由外壁腐蚀引起的。而在美国输气干线和集气管道的漏损事故中有74%是腐蚀造成的3。19811987年前苏联输
17、气管道事故统计表明，总长约24万千米的管道上曾发生事故1210次，其中外腐蚀517次，占总事故的42.7%；内腐蚀29次，占2.4%；因施工质量问题造成的事故280次占23.2%4。我国的地下油气管道投产后即发生腐蚀穿孔的情况己屡见不鲜，据统计大庆油田原油储运公司的5条大口径长输管道，1986年全线腐蚀穿孔64次，1987年83次，1988年87次。贵阳市埋地煤气管道的历史记录统计在1994年至2003年间，因腐蚀穿孔造成煤气泄漏的事故有70次5。它不仅造成因穿孔而引起的油、气、水泄漏损失，以及由于维修所带来的材料和人力上的浪费，停工停产所造成的损失，而且还可能因腐蚀引起火灾，造成爆炸，威胁人
18、身安全，污染环境，后果及其严重。管道破裂是另一影响管道安全运行的因素，它往往是由于材料基体的缺陷、施工质量差、人为破坏和自然力破坏所造成的。1992年10月，某市一交叉路口处，因其它管道施工造成煤气管道基础发生变化，加上此路口过往重载车辆较多，煤气管道承受负荷不断增大，在土层自然压力和冲击力作用下，管道断裂，泄漏的煤气经距其4.4m处的采暖沟窜入居民室内，造成居民煤气中毒，其中80人住院治疗，1人经抢救无效死亡。1.2国内外研究现状煤气管道，一般是由供气站、输送管道、储配站和煤气调压室等组成的庞大的系统，具有节点多、涉及面广、不同管段使用环境不同等特点，增加了影响因素的复杂性。因此，煤气管道的
19、运行安全存在诸多隐患。在管道漏损的分类基础上，通过定性和定量的方法，综合考虑影响管道漏损的各项因素，有针对性地分析管道漏损的原因以及评估管道的工作状态，及时预警、检修、维护是避免由于管道问题导致重大事故，保证安全生产的有效手段之一。目前世界上已有的管道检测主要集中在管道腐蚀和管道泄露方面。美国等发达国家立法要求管道必须采取有效的泄漏监测系统。输油管道检漏方法主要有三类：生物方法、硬件方法和软件方法。生物方法是一种传统的泄漏检测方法，主要是用人或经过训练的动物（狗）沿管线行走查看管道附件的异常情况、闻管道中释放出的气味、听声音等，这种方法直接准确，但实时性差，耗费大量的人力。硬件方法主要有直观检
20、测器、声学检测器、气体检测器、压力检测器等，直观检测器是利用温度传感器测定泄漏处的温度变化，如用沿管道铺设的多传感器电缆。声学检测器是当泄漏发生时流体流出管道会发出声音，声波按照管道内流体的物理性质决定的速度传播，声音检测器检测出这种波而发现泄漏。如美国休斯顿声学系统公司（ASI）根据此原理研制的声学检漏系统（WaveAlert），由多组传感器、译码器、无线发射器等组成，天线伸出地面和控制中心联系，这种方法受检测范围的限制，必须沿管道安装很多声音传感器。气体检测器则需使用便携式气体采样器沿管道行走，对泄漏的气体进行检测。软件方法：它采用由SCADA系统提供的流量、压力、温度等数据，通过流量或压
21、力变化、质量或体积平衡、动力模型和压力点分析软件的方法检测泄漏6。国外公司非常重视输油管道的安全运行，管道泄漏监测技术比较成熟，并得到了广泛的应用。壳牌公司经过长期的研究开发生产出了一种商标名称为ATMOS Pine的新型管道泄漏检测系统，ATMOS Pine是基于统计分析原理而设计出来的，利用优化序列分析法（序列概率比试验法）测定管道进出口流量和压力总体行为变化以检测泄漏，同时兼有先进的图形识别功能。该系统能够检测出1.6kg/s的泄漏而不发生误报警。目前国内油田长距离输油管道大都没有安装泄漏自动检测系统，主要靠人工沿管线巡视，管线运行数据靠人工读取，这种情况对管道的安全运行十分不利。我国长
22、距离输油管道泄漏监测技术的研究从九十年代开始已有相关报道，但只是近两年才真正取得突破，在生产中发挥作用。清华大学自动化系、天津大学精密仪器学院、北京大学、石油大学等都在这一方面做过研究。如：中洛线（中原洛阳）濮阳首站到滑县段安装了天津大学研制的管道运行状态及泄漏监测系统（压力波法），东北管道局1993年应用清华大学研制的检漏系统（以负压波法为主，结合压力梯度法）进行了现场试验7。但是在管道防堵在线检测方面，全世界范围内就其理论研究和实际产品开发方面做的工作还很少。1.3 控制系统概述1.3.1 控制系统的简介控制系统通常是指石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自
23、动化。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分8。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节能、环保和改善劳动条件等方面起着越来越大的作用。控制有很多分类的方法，若按被控参数的名称来分，有流量、压力、液位、成分、PH值等控制系统；按是否采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统；按给定信号的特点来分，有定值控制系统、程序控制系统和随动控制系统等。由于被控对象本身是千差万别的，所以要求过程控制系统的设计工作必须根据具体的工业设计过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数整定，实现
24、对生产过程的最优控制。自从维纳创立控制论以来，自动控制理论经历了两个主要的发展阶段：经典控制理论阶段和现代控制理论阶段9。经过半个多世纪的发展，这些常规的控制方法己经形成了比较完善的学科体系，并获得了许多成功的应用。它主要是针对工艺过程的连续时间动态系统，要求对象必须量化，各种量化参数之间的关系能够用比较精确的数学模型来描述。随着科学技术的发展，现代工业的生产规模越来越大，复杂性越来越高，市场竞争也越来越激烈。因此，对企业的管理和生产过程的控制要求也越来越高。为了保证生产的高效稳定的运行，获得最大的经济效益，原来简单的、局部的、常规的控制和仅凭经验的管理在现代工业化生产面前就显得力不从心了。因
25、此，在国内外，又有多种先进控制系统得到充分研究10，如多变量预估控制(MPC)，优化控制(OPT)，连续过程的总体质量控制(SQC)，与工人智能相结合的智能控制(Al，包括模糊控制系统，专家系统等)，适用于大时滞过程的先进控制(APC)，能够进行故障检测和诊断的容错控制以及连续工业过程的计算机一体化生产系统(CIMS)等等。1.3.2 基于单片机的控制系统基于单片机的控制系统的特点主要包括以下几个方面11： (1)单片微机体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；(2)系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使系统具有较高的性价比；(3)应用系统通常将程序驻留在ROM中，无需软硬磁盘做软件载
26、体，使系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便；(4)应用系统所用存储器芯片可选用EPROM、EPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于成批开发和应用，许多单片微机如68系列和80C51系列，开发芯片和应用芯片相互配套，使应用系统成本大大降低。(5)由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于安装于被控设备之内，大大推动了机电一体化产品的开发。第2章 系统的总体方案设计2.1 系统的方案比较目前，压力控制系统一般采用基于模拟电路的压力控制方法和基于单片机的压力控制方法两种形式。下面分别对这两种方法进行分析和对比。2.1.1 基于模拟电路的压力控制方案模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压
27、比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在本系统中，由于压力的变化是一个相对缓慢的过程，对压力控制系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。2.1.2 基于单片机的压力控制方案单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器RAM(Random Ac
28、cess Memory)、只读存储器ROM(Read only Memory)、定时/计数器以及I/O(Input/Output)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机12，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统SOC(System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种SOC芯片应用到先进的控制仪表中。SOC
29、芯片通常含有一个微处理器核(CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器(RAM和ROM)，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发，SOC是实现压力控制系统的最佳选择，但目前市场上SOC的价格还比较昂贵，并且SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现压力控制系统是比较经济实用的。比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1的不足及缺点，并具有监测简
30、单、测量压力精度高的特点，因此系统采用方案2。2.2 系统的工作原理煤气管道压力控制系统采用PID控制算法。PID调节器的输出量变换成控制量，用以控制执行器，近而对煤气管道压力进行控制。内置PID调节器对煤气管道压力给定值和煤气管道压力实际值的差值信号进行PID调节，其输出信号即是调节器的输入信号。当煤气管道压力的实际值小于煤气管道压力设定值时，内置PID调节器的输入信号为正值，PID调节器的输出信号增大，使执行器对管道加压，直至管道压力调节到与设定值相同，达到动态稳定。当煤气管道压力的实际值大于煤气管道压力设定值时，内置PID调节器的输入信号为负值，PID调节器的输出信号减小，使执行器对管道
31、减压，直至管道压力调节到与设定值相同，达到动态稳定。煤气管道压力控制系统的原理如图2-1所示。图2-1 煤气管道压力控制系统原理图2.3系统的总体设计煤气管道压力控制系统的总体结构包括：压力传感器、信号调理电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、存储电路、显示电路、键盘电路、串行接口电路和电源电路。传感器收集到煤气管道压力信号后转换为电信号，该电信号经过信号调理电路的处理后，送入A/D转换电路，将模拟量变成了数字量，然后送给控制系统的主控芯片单片机中。通过软件的设计可以让单片机输出控制信号，该信号经过D/A转换电路和放大电路后，送入电机驱动电路，使电动阀工作，实现对煤气管道压力的调节。存
32、储电路用来存放采集的数据。单片机可将采集的数据送入显示电路的接口实现实时显示功能，通过键盘电路还可以设置系统的参数。单片机输出数字信号通过串口将数据输入到计算机。控制系统的总体结构框图如图2-2所示。图2-2 控制系统的总体结构框图第3章 系统的硬件设计由系统的总体结构可知，煤气管道压力控制系统的硬件包括：单片机最小系统、压力传感器、信号调理电路、A/D转换电路、D/A转换电路、放大电路、存储电路、显示电路、键盘电路、串行接口电路和电源电路。下面分别对各组成部分进行简单的介绍。3.1 单片机的选择与接口电路3.1.1单片机的选型本系统采用ATMEL公司生产低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT
33、89S52。具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52主要性能参数如下13：1与MCS-51单片机产品兼容；28K字节在系统可编程Flash存储器，256字节RAM；31000次擦写周期；4静态操作：0Hz33Hz；5三级加密程序存储器；632个可编程I/O口线；7三个16位定时器/计数器；8八个中断源；9全双工
34、UART串行通道；10片内晶振及时钟电路；11空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。3.1.2 单片机最小系统接口电路该系统选用AT89S52单片机作为系统的主控制器。单片机的最小系统一般由单片机、时钟电路和复位电路组成14。AT89S52单片机的最小系统电路如图3-1所示。图3-1 AT89S52单片机的最小系统电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证
35、同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下按时序进行工作。在芯片内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚解晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。电路中对电容的要求不是很严格，如使用高质的晶振，则不管频率多少电容一般都选30pF。晶体的振荡频率通常是1.2MHz12MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后在为系统所用。 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，
36、除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，也需按复位键以重新启动。单片机的RST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为6 MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。MCS-51单片机通常采用上电复位和开关复位两种电路，如果把这两种电路组合起来就形成了复杂的系统复位电路，能够很好地保证单片机系统的复位，复位电路的核心就是保证RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平，这样就可以实现稳定的复位了。3.1.3 单片机扩展I/O端口的接口电路本系统选用8255A来扩展
37、I/O端口。Intel 8255A是一种通用的可编程并行输入/输出接口芯片。它的功能可通过软件程序来设定，通用性强。通过它可以直接将CPU数据总线与外部设备连接起来，使用方便灵活。Intel8255A接口芯片有3个8位并行输入/输出端口，可利用编程方法设置3个端口作为输入端口或是输出端口。芯片的工作方式分别为基本输入/输出、选通输入/输出和双向输入/输出方式。在与CPU的数据总线传送数据时可以选择无条件传送方式、查询传送方式和中断传送方式的任意一种15。Intel 8255A芯片的3个端口中，端口C既可作为数据端口也可作为控制端口。当C口作为数据端口时，既可作为8位数据口，也可分别作为两个4位
38、数据口，还可对C口的每一位进行操作，设置某一位为输入或输出，为位控提供便利条件。AT89S52扩展I/O端口的电路如图3-2所示。图3-2 AT89S52扩展I/O端口的电路3.1.4 单片机与存储器的接口电路由于AT89S52内部存储器容量不能满足本系统的需求，所以需要对其存储器进行扩展。本系统采用2764A EPROM作为扩展的程序存储器。用6264静态RAM作为扩展的数据存储器。2764A EPROM是8K字节的紫外线擦除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250ns，28脚双列直插式封装。6264静态RAM是8K8位的静态随机存储
39、器芯片，它采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。为28线双列直插式封装。存储器扩展时，8255A的PC口作为数据总线和低8位地址线，PB口作为高8位地址线。系统采用全地址译码法。采用（0000H1FFFH)，数据存储器的地址空间为(2000H3FFFH)。存储器扩展部分电路如图3-3所示16。图3-3 AT89S52单片机存储器接口电路3.2压力传感器的选择对于压力传感器，目前应用最广泛的是电阻应变式传感器，它是一种由电阻应变片和弹性敏感元件组成起来的传感器17。将应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、位移、加速度等各种
40、参数作用时，弹性敏感元件将产生位移、应力、应变，则电阻应变片将它们再转换成电阻的变化。压阻式压力传感器因其采用硅集成电路工艺技术和硅三维加工技术制造，利用硅优良的力学特性，用硅膜作为弹性敏感元件。二者一体化、尺寸小、因而固有频率很高，加上硅材料的杨氏模量很高，硅压阻检测元件是惠斯顿电桥模式。因此，硅压阻式压力传感器频响带宽从零频开始，高可达1MHz以上。 3.2.1 压力传感器的测量原理1电阻式传感器的测量原理18设有一金属丝，金属丝的电阻值Rs与其长度Ls和电阻率s成正比，与横截面积As成反比，其公式表示为 (3-1)式中：金属丝的电阻（）；金属丝的电阻率（）；金属丝的长度（）；金属丝的横断
41、面积（）2压阻式压力传感器的测量原理利用半导体扩散硅技术，将P型杂质扩散到一片N型底层上，形成一层极薄的P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜上扩散出4个P型电阻组成的惠斯登电桥的4个桥臂，这样的敏感器件叫做压阻式压力传感器19。应变式电桥电路是传感器接口中经常使用的电路，主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换成电压或电流信号。压阻式应变片传感器大多采用惠斯登电桥电路，其基本思想是将温度变化引起的测量误差在电路中给予抵消，不至于在输出信号中得到反映。利用差动结构并采用恒流源作为电桥电源。将具有相同热特性的应变片接入桥路各臂，组成等臂全桥电路，设、，式中：为桥臂初始值
42、，为工作情况下的变化量，为温度引起的增值。供桥电源为恒流源时，由于电桥的两个支路的电阻相等，两个支路中电流也相同，即 (3-2)电桥的输出为： (3-3)由于，所以 (3-4)电桥的输出与应变成正比，当然也与电源电流成正比，必须使恒流源的电流大小稳定不变。但是电桥输出与温度无关，不受温度的影响，这个差动结构采用恒流源的优点。3.2.2 压力传感器的选择基于以上分析，最终决定选择深圳市科普瑞传感仪器有限公司1000系列扩散硅压力传感器。1000系列压力传感器采用先进的硅压阻技术及不锈钢隔离膜片技术，它具有全温范围补偿及相应的线性补偿，保证产品的长期稳定性。广泛应用于石油、化工、水利、电力、冷冻设
43、备，空压设备，工业控制等领域。它的主要特点有20：1测量范围：0120Kpa；2精度：0.25FS；3长期漂移：0.1%FS/年（非累积值）；4零点失调：1%FS；5过载压力：2FS；6破坏压力；3FS；7工作温度：-40121；8存储温度：-40125；9补偿温度：-1080；10零点温漂：0.25%/10；11满程温漂：0.25%/10；12压力循环：108；13介质兼容：316或304不锈钢；14电气参数：输出：0100mV供电：510VDC输入阻抗：2K5；输出阻抗：2K5连接：四线制。传感器的电气接线图如图3-4所示：图3-4 传感器的电气接线图3.3信号调理电路由于该1000系列扩
44、散硅压力传感器输出为0100mV，信号比较微弱，单片机不能直接采集，中间必须经过放大处理。采集过程中由于不可避免有噪音信号，所以进行滤波等信号调理也是必不可少的。由于放大倍数较大，系统采用AD620和OP07组成两级放大电路。3.3.1 放大电路的电源电路由于AD620是精密元件，所以它的供电电源必须是精准的，故此需要设计十分精准的+5V电源。其电路设计图示如图3-5。在图中，采用LM336-5.0接于供电电压“+5V”与“地（GND）”、“-5V”与“地（GND）”之间。LM336属于三端精密基准电压源，可广泛用于数字电压表、数字欧姆表、稳压电源和运算放大器的电路中，LM336基准电压的典型
45、值为2.490V/5.0V，其基准电压值和电压温度系数均可由外总电路调整到最佳特性。通常是用电位器和两只硅二极管构成温度补偿电路，将基准电压调至2.490V/5.0V，使电压温度系数为最小。图3-5 精准电源电路3.3.2 信号调理电路管道压力检测系统信号调理电路如图3-6所示。由AD620和OP07组成两级放大电路。AD620是精密仪器用放大器，增益范围为11000，只需外接一个电阻进行调节，增益线性误差为100ppmFSR，共模抑制比为90dB，单位增1MHz，工作电源电压为3.218V，广泛应用于传感放大器、数据采集系统以及自动控制系统等。OP07为双电源供电低噪声、高精度单运算放大器，
46、共模抑制比为126dB，单位增益带宽为1.2MHz，工作电源电压为318V，广泛应用于传感放大器等场合21。共有5条输入线：分别是AD620的同相输入端和反相输入端、12V线、12V线和地线。经过信号调理电路处理的压力信号可直接送入A/D转换器。调理电路的输出端Vin直接送入A/D转换器的模拟输入端口。图3-6信号调理电路在图3-6中，各个参变量的大小分别为：C01=C02=C03=C04：规格为16V、100F；其余电容的规格为：0.1F；R3=R4=R7=R8=R9：均为100；R10=R11：为10K；R1=R2：规格为1W、220；R5=R6：为24K；R0：100K；R1233K。对
47、于AD620级放大，PW0为调零电阻；PW1是增益调节电阻，即可调节放大倍数。二极管D1和D2的作用是用来限制输送到集成运算放大器两输入端之间的信号幅度，即集成运放输入端承受过高的差模输入电压，此时D1和D2起到输入保护的作用。在输入端的RC电路起滞后补偿作用，在低频时，R和C起作用；在高频时，R可防止电容短路使高频段放大倍数不致衰减过多，保证带宽不致压缩过多。在对压力传感器的电压信号进行放大时，首先调节电位器PW0，使空载时的输出电压尽量小，以消除误差。然后，调节电位器PW1，获取适宜的放大倍数。AD620的放大倍数G通过跨接在AD620的1脚和8脚之间的电阻RG计算出来。 (3-5)对于OP07级放大，放大倍数为： (3-6)即放大倍数为2倍。R11的作用是平衡电阻，它保证了集成运算放大器同相输入端和反相输入端外接电阻